Физические основы микро- и нанотехнологии

4. БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

4.1. Интегральные схемы как самостоятельный тип электронных приборов

Подобно транзистору или диоду, интегральная схема конструктивно представляет собой единое целое и выполняет определенную функцию, а поэтому относится к разряду электронных приборов. Однако ряд специфических особенностей придает этому виду приборов совершенно новые качества. Главной особенностью микросхемы является то, что она самостоятельно выполняет определенную законченную функцию (например, усилителя), в то время как элементарные электронные приборы (например, транзистор) могут выполнять ту же функцию только в совокупности с другими компонентами (резисторами, конденсаторами и т.д.). Таким образом, по сравнению с другими электронными приборами ИС обладают повышенной функциональной сложностью.

Вторая особенность – резкое (на 2–3 порядка) снижение габаритных размеров и массы электронных узлов и блоков, собранных на ИС, по сравнению с блоками аналогичного назначения из дискретных компонентов.

Третья особенность – повышенная надежность устройств на ИС,

впервую очередь за счет резкого уменьшения числа паяных соединений. При повышении степени интеграции этот показатель растет.

Четвертая особенность – уменьшение удельной стоимости производства. Поскольку элементы интегральных схем изготавливаются

ведином технологическом цикле, а число технологических операций при их изготовлении сравнимо с числом при изготовлении дискретного транзистора, то в условиях массового производства стоимость микросхем даже повышенной степени интеграции вполне сопоставима со стоимостью изготовления отдельного транзистора.

Пятая особенность заключается в том, что в интегральной схемотехнике, в противоположность дискретной, использование активных элементов (транзисторов) предпочтительнее. Это связано с тем, что

191

интегральные транзисторы имеют на кристалле значительно меньшую площадь, чем резисторы, и особенно конденсаторы. В стоимости производства ИС определяющей является стоимость не элемента, а кристалла, в силу чего выгоднее разместить на нем максимальное число элементов с минимальной площадью.

Шестая особенность – уменьшенный разброс свойств и повышенная коррелированность параметров элементов, заключенных в корпусе микросхемы. Это позволяет сравнительно легко реализовывать на ИС устройства, которые трудно или вообще невозможно построить на основе дискретных элементов.

Таким образом, переход на качественно новую элементную базу (микросхемы) позволил повысить функциональную сложность электронных приборов и узлов без ухудшения их основных показателей (габаритные размеры, надежность, стоимость и т.д.), что и определило темпы развития микроэлектроники в целом.

4.1.1.Общие представления

отехнологии производства микросхем

Технологические процессы, используемые при производстве ИС, достаточно подробно рассмотрены ниже, здесь же дано общее представление о технологии производства микросхем.

Процесс изготовления ИС представляет собой последовательный ряд базовых технологических операций. Главной особенностью этого процесса является групповой метод, при котором технологической обработке подвергается одновременно несколько подложек, причем на каждой подложке формируется большое количество одинаковых интегральных микросхем (ИМС).

По завершении процесса формирования микросхем на общей подложке с помощью специальных зондов, состоящих из набора тонких игл, прижимаемых к контактным площадкам, осуществляют тестирование работоспособности каждой ИС. Микросхемы, не прошедшие контрольного теста, отбраковываются. После этого подложку режут на отдельные части, каждая из которых содержит одну микросхему. Затем части монтируют в корпус, соединяют контактные площадки с внешними выводами, герметизируют и маркируют.

192

Для каждого типа ИМС разрабатывается свой технологический процесс, причем в зависимости от структуры интегральной микросхемы общее число технологических операций при ее изготовлении может достигать 150–200.

Основные (базовые) технологические операции производства ИМС следующие.

Подготовительные операции. К подготовительным операциям относятся резка, шлифовка, полировка, травление и очистка. Монокристаллические слитки, типичные размеры которых составляют в длину 500–700, а в диаметре около 150 мм, разрезают на пластины толщиной 0,4–0,5 мм. После резки пластины многократно шлифуют на специальных шлифовальных кругах для получения недостижимой при резке толщины (150–250 мкм) и высокой степени параллельности плоскостей пластины. После этого заготовки подвергают механической полировке, а потом и травлению (химической полировке).

В результате этих операций непараллельность плоскостей пластины доводится до примерно 1 мкм на 1 см длины, а высота неровностей – до сотых долей микрона. Очистку проводят в органических растворителях (ацетон, этиловый спирт и т.д.) при повышенной температуре. Большинство перечисленных процессов на финальной стадии сопровождаются промывкой пластин в деионизированной воде.

Эпитаксия. Эпитаксией называется ориентированное наращивание слоев, кристаллическая структура которых повторяет структуру подложки. Обычно материалы эпитаксиальной пленки и подложки одинаковы, но иногда применяются и разные материалы (с близкой кристаллической структурой, например кремний на сапфире). Толщина выращиваемых пленок составляет 1–15 мкм.

Легирование. Легированием называется операция введения примесей в подложку или эпитаксиальный слой. Существует два основных метода легирования: диффузия и ионная имплантация. Оба процесса могут носить как общий, так и локальный характер. В первом случае легируется вся поверхность подложки, а во втором – отдельные ее участки.

193

Травление. В общем случае под травлением следует понимать немеханические способы изменения рельефа поверхности. Травление применяют для очистки поверхности подложки от загрязнений, удаления окисных пленок, а также для создания на поверхности подложки канавок и углублений.

Литография. Литографией называется процесс получения требуемой конфигурации элементов ИС на поверхности подложки, напоминающий гравировку. Идея литографии заключается в использовании для этой цели специальных масок, содержащих совокупность окон – отверстий различной конфигурации. В основе процесса лежит использование наносимых на поверхность кристалла или подложки специальных полимерных материалов, называемых резистами.

Формирование диэлектрических пленок. В качестве изоли-

рующих слоев в полупроводниковых микросхемах обычно применяют пленки оксида или нитрида кремния. Получающиеся при этом слои могут выполнять различные функции. Например, пленка диоксида кремния может изолировать затвор МОП-транзистора, играть роль маски, через окна которой осуществляется легирование определенных областей, или, наконец, выполнять функцию защиты выходящих на поверхность пластины вертикальных краев р–п-переходов.

Формирование проводящих пленок. Проводящие пленки ши-

роко используются при формировании резисторов, конденсаторов, а главное – для осуществления соединений между элементами ИС.

4.1.2. Активные элементы полупроводниковых ИС

Основными схемными элементами полупроводниковых ИС являются биполярные транзисторы п–р–п-типа, имеющие вертикальную структуру, в которой все выводы располагаются в одной плоскости. Они формируются на полупроводниковой подложке р- типа в изолированных от нее локальных областях, называемых карманами. Изоляция может осуществляться различными способами, но чаще всего используют изоляцию оксидом кремния и обратно смещенным р–п-переходом. Интегральный транзистор п–р–п-типа имеет

194

структуру, аналогичную структуре дискретного транзистора, с той только разницей, что вывод коллектора сделан с той же стороны, что и выводы базы и эмиттера (планарная структура). Кроме того, для снижения сопротивления коллекторной области внутри нее формируют скрытый и не имеющий выводов п+-слой.

Вцифровых ИС широко применяются биполярные транзисторы

сдиодом Шоттки, который образуется путем своеобразного расширения металлического вывода базы в сторону коллекторного слоя, при этом в области контакта металла с полупроводником возникает выпрямляющий контакт Шоттки, включенный параллельно коллекторному переходу.

Как правило, в полупроводниковых ИС не формируют специально диодных структур. В качестве диода используют один или два р–п-перехода транзистора п–р–п-типа, что с технологической точки зрения осуществляется более просто.

ВМДП-микросхемах широко применяют транзисторы с индуцированным каналом п-типа, а также комплементарные МДПструктуры, представляющие собой последовательное соединение транзисторов с каналами р- и п-типов. При этом один из них фор-

мируют непосредственно на кремниевой подложке, а второй – в специальном кармане, изолированном от подложки р–п-перехо- дом. По сравнению с биполярными, МДП-транзисторы имеют меньшие размеры, что позволяет повысить степень интеграции МДП-микросхем.

4.1.3.Пассивные элементы ИС

Вполупроводниковых ИС пассивные элементы обычно создаются на основе базовой структуры биполярного п–р–п-транзистора. При этом в качестве резисторов используют объемные сопротивления эмиттерной, коллекторной или базовой областей транзистора, расположенного в отдельном кармане. Такие резисторы называют диффузионными, так как их основу образуют диффузионные слои соответствующих областей транзистора. Сопротивление резистора определяется геометрическими размерами резистивной облас-

195

ти и ее удельным поверхностным сопротивлением. Сопротивление R прямоугольной полоски (пленки) размерами a × b в направлении ее длины а можно найти по формуле

R = ρs ba ,

где ρs – удельное поверхностное сопротивление.

Чаще всего для диффузионных резисторов используется полоска базовой области с двумя омическими контактами.

Если требуются резисторы с номиналами выше 50 кОм, то обычно применяют пинч-резисторы, использующие заглубленные слаболегированные слои базовой или коллекторной области. Максимальное сопротивление пинч-резисторов даже простейшей полосковой конфигурации может достигать 300 кОм. Однако по сравнению с обычными диффузионными резисторами они имеют повышенный разброс номиналов и большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Для создания сопротивлений от единиц до сотен ом используют высоколегированный низкоомный эмиттерный слой.

Рис. 4.1. Схематическое устройство диффузионного резистора, использующего базовую (а) и коллекторную (б) области,

а также коллекторного пинч-резистора (в)

Характерной особенностью интегральных диффузионных полупроводниковых резисторов является повышенное отклонение их сопротивления от расчетного номинала (обычно около 20 %). В то же время разброс значений сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, примерно на порядок ниже.

196

Кроме диффузионных в современных полупроводниковых ИС в качестве резисторов используются ионно-легированные резисторы, которые получают методом локальной ионной имплантации примеси. Глубина имплантированного слоя значительно меньше, чем диффузионного, а сам процесс имплантации гораздо лучше контролируется. Благодаря этому ионно-легированные резисторы позволяют реализовывать весьма высокие удельные сопротивления слоя с технологическим разбросом на уровне ±5 % и обладают ТКС на одиндва порядка ниже, чем диффузионные. Из-за малой толщины имплантированных слоев с ними трудно осуществлять омические контакты, поэтому по краям резистивной пленки обычно создают дополнительные диффузионные слои, технология создания омических контактов с которыми такая же, как у транзисторов.

Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие паразитной емкости относительно подложки, что ограничивает его рабочий диапазон частот и требует учета при проектировании ИС. В некоторых микросхемах применяются тонкопленочные резисторы, напыляемые на поверхность диоксида кремния. Такие резисторы, как правило, обладают повышенной точностью и стабильностью, а также более высокой граничной частотой использования.

Роль конденсаторов в ИМС могут играть обратно смещенные (закрытые) р–п-переходы. У такого конденсатора хотя бы одна из обкладок представляет собой диффузионный слой, поэтому конденсаторы также называют диффузионными. Из-за выраженной зависимости толщины р–п-перехода от величины приложенного напряжения диффузионный конденсатор является нелинейным (точнее, параметрическим) элементом, так как его емкость зависит от напряжения. На основе р–п-перехода можно реализовать емкости в несколько сотен пикофарад. Необходимым условием нормальной работы диффузионного конденсатора является обратное смещение р–п-перехода, поэтому амплитуда переменной составляющей на таком конденсаторе не должна превосходить напряжения обратного смещения. Недостатки диффузионных конденсаторов – низкая удельная емкость, повышенные потери, большая паразитная емкость с подложкой.

197

Лучшими электрическими характеристиками обладают интегральные МОП-конденсаторы. В этих структурах нижней обкладкой служит высоколегированный эмиттерный п+-слой, диэлектриком – тонкая пленка оксида кремния, а верхней обкладкой – напыленный слой алюминия. Емкость такого конденсатора может быть весьма значительной, и, кроме того, он может работать с напряжением любой полярности, не требуя дополнительного смещения. Однако МОП-конденсатор также является нелинейным.

В ряде ответственных случаев в полупроводниковых ИС на поверхности окисла кремния формируют тонкопленочные конденсаторы, в которых в качестве обкладок используют пленки тантала или алюминия, а в качестве диэлектрика – их оксиды. Такие конденсаторы обладают улучшенными параметрами по сравнению с МОП-конденсаторами, и тем более с диффузионными конденсаторами.

При необходимости в пленочных микросхемах методами микроэлектроники могут быть реализованы и катушки индуктивности. Они представляют собой плоские спирали, обычно прямоугольной конфигурации. Поскольку ширина плоского витка такой катушки составляет всего 30–50 мкм, для уменьшения активного сопротивления спирали в качестве материала применяют золото. Такие катушки применяют в гигагерцевом диапазоне частот.

4.2. Физические основы технологий получения тонких пленок

4.2.1.Общие сведения. Перенос носителей заряда

втонких пленках

Тонкие пленки с точки зрения физики представляют собой покрытия, имеющие малую толщину и большое отношение площади поверхности к объему. Тонкопленочные материалы проявляют свойства двумерных систем. Тонкие пленки, толщина которых составляет порядка нескольких десятков нанометров, существенно отличаются по свойствам от массивных образцов. Покрытие материала пленкой тол-

198

щиной всего в одну молекулу или несколько атомных слоев дает возможность радикально изменить его поверхностные свойства – увеличить стабильность, поверхностное натяжение, улучшить механические, адсорбционные или адгезионные свойства.

Высокая адгезионная способность нанопленок к различным материалам часто используется для создания покрытий, химически защищающих материал, обеспечивающих хорошее скольжение, предотвращающих слипание мелких частиц в коллоидном растворе (стабилизации эмульсии или золя) и т.д. К защитным нанопленкам могут быть отнесены и оксидные пленки на поверхности металлов, предотвращающие их дальнейшее окисление.

Тонкие пленки формируют как на основе органических поверх- ностно-активных веществ, так и нанося тонкие слои кристаллических неорганических материалов.

Неорганические тонкие пленки и покрытия получают различными методами, которые можно разделить на две большие группы: химические – химическое осаждение из паровой фазы металлорганических соединений, получение пленок Ленгмюра – Блоджетт (монослой или последовательность монослоев вещества, нанесенных на подложку) и т.д.; и физические – методы термического напыления, импульсного лазерного напыления, электронно-лучевого испарения, магнетронного напыления, молекулярно-лучевой эпитаксии и др. Как правило, для осаждения пленок физическими методами необходим высокий вакуум.

Сегодня нанопленки находят исключительно широкое практическое применение в передовых технологиях производства материалов и покрытий, в первую очередь в электронике (гетероструктуры, транзисторы, наноэлектромеханические системы, устройства гигантского магнито-сопротивления и многие другие), химических сенсорах, оптических материалах, а также для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, улучшения магнитных и электрических характеристик материалов, используемых в авиационной и космической технике, машиностроении и медицине.

199

4.2.2. Термическое вакуумное напыление

Получение тонких пленок является одной из основных задач технологии изготовления микросхем, а метод термического вакуумного напыления (ТВН) – одним из самых распространенных. Он состоит из следующих основных этапов: нагрев в вакууме наносимого вещества до температуры испарения, транспортирование парогазового облака через вакуум от испарителя до подложки и конденсация пара на поверхности подложки.

Первый этап – испарение вещества. Использование современных экспериментальных методов исследования (масс-спектрометрия, изотопный анализ, атомно-адсорбционная спектрометрия и др.) открыло возможности для экспериментального изучения процесса испарения отдельных компонентов сложных систем, влияния различных факторов на эти процессы. Обычно процесс испарения связан с плавлением материала, хотя температура испарения может отличаться от температуры плавления на сотни градусов. Как правило, за температуру испарения принимают температуру, при которой парциальное давление паров испаряемого вещества составляет приблизительно 1,3 Па.

Физически процесс испарения твердого тела связан с флуктуационным преодолением отдельными атомами или молекулами потенциального барьера на границе твердое тело – газ или твердое тело – вакуум. Вероятность такого процесса при температуре Т определяется фактором Больцмана ехр(–U / kT), где U – величина потенциального барьера, k – постоянная Больцмана. Это означает, что температурная зависимость давления пара над поверхностью твердого тела определяется уравнением

где А, В – характеристики конкретной системы, при этом величина B пропорциональна энергии испарения.

Уравнение (4.1) достаточно хорошо описывает наблюдаемые температурные зависимости насыщенных паров в широкой области температур для большого числа систем. Для создания покрытия зна-

200